Prenez un trombone métallique. Maintenant, pliez-le d’avant en arrière au même endroit 15, peut-être 20 fois. Il y a de fortes chances que le trombone se soit cassé avant que vous ayez fini. Cela est dû à ce qu’on appelle la fatigue du métal, qui se produit lorsqu’un composant métallique est soumis à des contraintes cycliques jusqu’à ce qu’il tombe en panne.
Alors que le trombone cassé est un exemple trivial de fatigue du métal, le phénomène est un énorme problème dans le monde entier. « La plupart des défaillances inattendues – ponts, avions, plates-formes pétrolières, valves cardiaques – échouent par ce processus », a déclaré Tresa Pollock, professeur de sciences des matériaux à l’UC Santa Barbara, spécialisée dans les performances mécaniques et environnementales des matériaux dans des environnements extrêmes. Pratiquement tout métal structurel soumis à des contraintes cycliques – déformations, vibrations, températures extrêmes, impacts, etc. – est vulnérable, avec des résultats qui peuvent coûter des centaines de milliards de dollars chaque année.
Pour prévoir et éviter de tels destins catastrophiques, Pollock et ses collègues chercheurs de l’UCSB, de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et de l’Université de Poitiers en France ont développé une théorie qui prédit les limites auxquelles les métaux peuvent être soumis à des contraintes cycliques avant de tomber en panne. Et ils peuvent prédire l’échec dès le premier cycle. Leurs recherches sont publiées dans la revue La science.
Être capable de prédire quand un composant métallique est susceptible de tomber en panne à cause d’un stress cyclique a longtemps été une priorité lors de la conception d’un système technique, qu’il s’agisse d’une valve cardiaque artificielle ou d’une centrale nucléaire. Cependant, selon Pollock, qui est également doyen par intérim du College of Engineering de l’UC Santa Barbara, le processus de prise de décision n’a pas beaucoup changé en près de deux siècles.
« Ils prennent quelque chose, le recyclent et mesurent les cycles jusqu’à l’échec », a-t-elle déclaré.
Mais ces résultats empiriques sont souvent dépourvus des informations quantitatives plus approfondies qui permettraient de faire des prédictions sur une large gamme de métaux dans diverses conditions. Pour compliquer encore les choses, les pannes peuvent souvent se produire après des millions ou des milliards de cycles. « Et si vous devez tester quelque chose pendant un an ou 10 ans avant qu’il échoue, il est un peu difficile de générer suffisamment de résultats de test pour concevoir contre cet échec », a déclaré Pollock.
Les techniques avancées offrent de nouvelles perspectives
À partir du moment où un métal solide est soumis à son premier cycle de contrainte – généralement d’abord en traction, suivi d’une compression puis de retour à zéro – il est mis sur une trajectoire de rupture. Mais souvent, les dommages ne sont pas immédiatement visibles à l’œil nu. À l’échelle du nanomètre, cependant, les dommages sont là : les atomes dans la zone de contrainte du métal glissent les uns contre les autres, créant des motifs d’usure appelés « bandes de glissement ». Au fur et à mesure que le matériau subit plus de cycles, davantage de ces bandes de glissement émergent et finalement une microfissure se forme. D’autres cycles de chargement provoquent la croissance de la fissure jusqu’à ce qu’elle devienne une fissure macroscopique et que le métal se rompe.
La « résistance à la fatigue » est un stress qui peut être toléré pendant un nombre élevé de cycles avant de tomber en panne, souvent entre un million et un milliard. Tester une large collection de métaux et alliages techniques avec une suite de nouvelles techniques a permis aux chercheurs de relier les mesures du premier cycle de localisation du glissement à la résistance à la fatigue du métal d’une manière étonnamment simple.
« Nous ne nous attendions pas à ce que cette corrélation soit aussi linéaire sur autant de matériaux différents », a-t-elle poursuivi. « L’ensemble des matériaux examinés sont très, très différents les uns des autres et ils tombent tous sur la même courbe. »
Au cœur de la découverte de l’équipe se trouve le microscope TriBeam développé par l’UCSB, qui permet de nouvelles approches à haute résolution pour étudier les bandes de glissement, ainsi que de nouveaux tests de fatigue par ultrasons et des techniques d’analyse de données multimodales. « La capacité de développer et de maintenir ces instruments avancés et de les combiner avec une analyse assistée par apprentissage automatique au sein de l’infrastructure de l’UCSB était d’une importance cruciale », a déclaré Pollock.
Le site et l’intensité des premiers événements de localisation de glissement sont, selon l’étude, prédictifs du moment où le matériau se rompra et où la fissure commencera à se former. La clé de ces prédictions est la « limite d’élasticité » du métal – connue sous le nom de point de non-retour où le métal est déformé de manière irréversible pendant le chargement.
« L’observation surprenante est que certaines bandes de glissement qui apparaissent au cours du premier demi-cycle de tension disparaissent complètement à la fin du cycle », a expliqué Pollock. « Cependant, une petite fraction des bandes ne disparaissent pas ou ne s’inversent pas au cours du premier cycle ; il s’est avéré que ce sont les sites où la défaillance s’est produite un milliard de cycles plus tard. »
Les études à haute résolution des chercheurs fournissent également des informations sur les facteurs qui influencent la résistance à la fatigue d’un métal, y compris les méthodes de traitement et la structure cristalline – l’arrangement tridimensionnel des atomes des métaux. La façon dont les atomes glissent les uns contre les autres diffère selon la façon dont ils sont empilés. Les arrangements cubiques centrés sur le corps (atomes à chaque coin et au centre du cube) subissent des événements de glissement plus dispersés, tandis que les cubiques centrés sur la face (atomes à chaque coin et sur chaque face du cube) et les métaux à pack fermé hexagonal présentent plus glissements localisés et variation plus importante de leur intensité. Ces paramètres peuvent expliquer les différences dans la durée de vie en fatigue des métaux avec différentes structures cristallines et prendre en compte la théorie de l’équipe de recherche.
Ces corrélations et informations quantitatives récemment découvertes font progresser la compréhension de la fatigue du métal, ce qui implique qu’elles peuvent être utilisées pour concevoir de manière plus optimale des systèmes d’ingénierie et prédire plus définitivement quand et comment un composant métallique échouera.
« Si vous pouvez prédire comment le métal va se comporter dès le premier cycle, vous n’aurez pas à subir toutes ces approches de test coûteuses et chronophages », a déclaré Pollock, « et nous pouvons fabriquer de meilleurs matériaux et nous protéger contre les catastrophes ». . »
Les recherches de Pollock pour cette étude ont été soutenues par la bourse de recherche Vannevar Bush (VBFF) du département américain de la Défense, qui est attribuée chaque année à environ 10 membres du corps professoral dans tous les domaines. Le VBFF soutient de nouvelles idées originales où la créativité des chercheurs croise l’inconnu.
